JP6842235B2 - Method of forming a collector electrode protective film for dye-sensitive solar cells - Google Patents
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Description
本発明は染料感応太陽電池用集電極保護膜及びその形成方法並びにこれを含む染料感応太陽電池に係り、より詳しくは集電極保護膜として超疎水性の還元されたグラフェンオキシドを第1バリアー層として適用することで、集電極の金属表面を水分、電解質又は空気などから保護し、腐食を防止して集電効率を向上させることができる染料感応太陽電池用集電極保護膜及びその形成方法並びにこれを含む染料感応太陽電池に関する。 The present invention relates to a dye-sensitive solar cell collector electrode protective film and a method for forming the same, and a dye-sensitive solar cell including the same. More specifically, the superhydrophobic reduced graphene oxide is used as the first barrier layer as the collector electrode protective film. By applying it, the metal surface of the collector electrode can be protected from moisture, electrolytes, air, etc., corrosion can be prevented, and the current collection efficiency can be improved. Regarding dye-sensitive solar cells including.
太陽電池は、そのサイズが大きくなる場合、透明伝導層の抵抗によって集電効率が落ちる。これを補うために、一般的に金属電極をさらに挿入する。しかし、挿入された金属電極では、電解質、特に、ヨード系電解質によって電極が腐食される現象がたびたび発生している。
そこで、新しい電極保護層として、ガラスフリット、UV硬化又は熱硬化型の高分子樹脂フィルムなどを適用した事例が報告されている。しかし、ガラスフリットは、ガラス素材で、優れた保護材料ではあるが、太陽電池製造工程の許容温度範囲では完全に集電極を保護することができないため、最近では余り使用されなくなってきている。特に、圧力が加わったときや、外部から振動や衝撃が伝わったとき、割れ又はクラックが発生する恐れが高いため、電解質による腐食を防ぐ部材として使用しにくい欠点がある。
また、エポキシ樹脂はエポキシ基を持っている熱硬化性樹脂に分類され、これを使う時には硬化剤と一緒に使われる。このようなエポキシ樹脂は一度加熱されて硬化成形されれば、さらに熱を加えても形態が変わることがなく、耐熱性に優れ、接着性が良いため、一般的に接着材料として広く使われる。しかし、エポキシ樹脂の使用時に生成した環境ホルモンが人体に撹乱物質として悪影響を与えること恐れがあることから、バリアー層として使用されることは適当でなく、また、ヨード系電解質による腐食を完全に防ぐことが難しい材料でもある。
When the size of a solar cell increases, the current collecting efficiency decreases due to the resistance of the transparent conductive layer. To compensate for this, metal electrodes are generally further inserted. However, in the inserted metal electrode, the phenomenon that the electrode is corroded by the electrolyte, particularly the iodine-based electrolyte, frequently occurs.
Therefore, an example in which a glass frit, a UV curable or a thermosetting polymer resin film is applied as a new electrode protective layer has been reported. However, although glass frit is a glass material and is an excellent protective material, it has not been used much recently because it cannot completely protect the collector electrode within the allowable temperature range of the solar cell manufacturing process. In particular, there is a high possibility that cracks or cracks will occur when pressure is applied or when vibration or impact is transmitted from the outside, so that there is a drawback that it is difficult to use as a member for preventing corrosion by an electrolyte.
Epoxy resins are also classified as thermosetting resins that have an epoxy group, and when used, they are used together with a curing agent. Once such an epoxy resin is heated and cured and molded, its form does not change even if heat is further applied, and it has excellent heat resistance and adhesiveness, so that it is generally widely used as an adhesive material. However, it is not appropriate to use it as a barrier layer because the environmental hormones produced when using epoxy resin may adversely affect the human body as a disruptor, and it completely prevents corrosion by iodine-based electrolytes. It is also a difficult material.
また、UV硬化剤は、紫外線硬化型樹脂に微量含まれている光開始剤が紫外線を受けることにより光重合反応が開始され、樹脂の主成分である単量体(monomer)やオリゴマー(oligomer)が瞬間的に重合体(polymer)となって硬化する材料として多様な分野に使われている。しかし、UV硬化剤の厚さ差による硬化速度の差が大きく、角部や凹凸部等の平面ではない部分の硬化が難しくなる欠点がある上に、熱硬化型材料と同様にヨード系電解質を完全に防ぐことが難しい材料である。
近年、新素材として脚光を浴びている材料であるグラフェン(graphene)は、炭素原子からできた蜂の巣のような六角形格子構造を有する炭素素材であり、その固有の特性のため、多様な分野で研究が進んでいる。グラフェンを製造する方法としては、銅ホイルのような基板上で直接蒸着する方法と機械的剥離法及び化学的剥離法などがある。この中で、特に酸化−還元反応を用いた化学的剥離法で製造された酸化還元グラフェンは単一層から数十層からなる炭素ナノ物質で、高い透過率を初めとして、有機溶媒、熱、光及び硫化水素ガス(H2S)などに対する耐久性に優れた特性がある。
Further, in the UV curing agent, the photopolymerization reaction is started when the photoinitiator contained in a trace amount in the ultraviolet curable resin receives ultraviolet rays, and the monomer (monomer) or oligomer (oligomer) which is the main component of the resin is started. Is used in various fields as a material that instantly becomes a polymer and cures. However, there is a large difference in curing speed due to the difference in the thickness of the UV curing agent, which makes it difficult to cure non-planar parts such as corners and uneven parts. In addition, iodine-based electrolytes are used as in thermosetting materials. It is a material that is difficult to prevent completely.
Graphene, a material that has been in the limelight as a new material in recent years, is a carbon material with a honeycomb-like hexagonal lattice structure made of carbon atoms, and due to its unique properties, it is used in various fields. Research is progressing. Methods for producing graphene include a method of directly depositing graphene on a substrate such as copper foil, a mechanical peeling method, and a chemical peeling method. Among these, redox graphene produced by a chemical stripping method using an oxidation-reduction reaction is a carbon nanomaterial consisting of a single layer to several tens of layers, including high transmittance, organic solvent, heat, and light. and it has excellent characteristics in durability against such hydrogen sulfide (H 2 S).
特許文献1には、基材、基材上に形成される第1電極層、及び第1電極層の上部及び/又は下部に形成されるグラフェンオキシド層を含む透明電極及びこれを含む電子材料が開示されている。
また、特許文献2には、基材、基材上の第1電極層、及び第1電極層の上部及び/又は下部に形成されるグラフェンオキシド層を含む透明電極を持つ電子材料が開示されている。
さらに、特許文献3には、保護膜と透明な炭素系薄膜は炭素ナノチューブ又はグラフェン薄膜であることを特徴とする金属フレキシブル染料感応太陽電池が開示されている。
しかし、上記のように、透明電極上に形成されたグラフェンオキシド(graphene oxide:以下、GOと略す)は、有機溶媒、熱、光、及びガスなどに対する耐久性は優れるが、本発明において最も重点的に考慮しているヨード系電解質によって引き起こされる腐食の問題に対しては全く考慮されていない。
上記の状況下、電極腐食を防止し、集電効率を高めることができる電極保護層としての新素材についての研究が必要であった。
Patent Document 1 describes a transparent electrode including a base material, a first electrode layer formed on the base material, and a graphene oxide layer formed above and / or a lower part of the first electrode layer, and an electronic material containing the same. It is disclosed.
Further, Patent Document 2 discloses an electronic material having a transparent electrode including a base material, a first electrode layer on the base material, and a graphene oxide layer formed above and / or below the first electrode layer. There is.
Further, Patent Document 3 discloses a metal flexible dye-sensitive solar cell characterized in that the protective film and the transparent carbon-based thin film are carbon nanotubes or graphene thin films.
However, as described above, graphene oxide (hereinafter abbreviated as GO) formed on the transparent electrode has excellent durability against organic solvents, heat, light, gas, etc., but is the most important in the present invention. No consideration is given to the problem of corrosion caused by iodine-based electrolytes.
Under the above circumstances, it was necessary to study a new material as an electrode protective layer that can prevent electrode corrosion and improve current collection efficiency.
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであって、その目的とするところは、集電極保護膜として集電極の金属表面を水分又は空気(酸素)だけでなく、ヨード系電解質からも保護して腐食を防止した染料感応太陽電池用集電極保護膜及びその形成方法を提供することにある。
本発明のさらに他の目的とするところは、上記集電極保護膜を含む染料感応太陽電池を提供することにある。
The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to make the metal surface of the collector electrode as a collector electrode protective film not only water or air (oxygen) but also an iodine system. It is an object of the present invention to provide a dye-sensitive electrode collecting electrode protective film for a dye-sensitive solar cell which also protects from an electrolyte and prevents corrosion, and a method for forming the same.
Still another object of the present invention is to provide a dye-sensitive solar cell including the above-mentioned collector electrode protective film.
上記目的を達成するためになされた本発明の染料感応太陽電池用集電極保護膜は、透明電極基板上に複数の金属電極が離隔して配列された電極層、及び電極層が形成された透明電極基板の全面又は電極層上にだけ部分的に形成された第1バリアー層 を含み、第1バリアー層は還元されたグラフェンオキシド(Reduced graphene oxide:以下、rGOと略す)であることを特徴とする。 The dye-sensitive solar cell collector electrode protective film of the present invention made to achieve the above object is a transparent electrode layer in which a plurality of metal electrodes are separated and arranged on a transparent electrode substrate, and an electrode layer is formed. It is characterized by including a first barrier layer partially formed on the entire surface of the electrode substrate or only on the electrode layer, and the first barrier layer is reduced graphene oxide (hereinafter abbreviated as rGO). To do.
本発明の染料感応太陽電池用集電極保護膜の形成方法は、透明電極基板上に所定の間隔で複数の電極を離隔して配列して電極層を形成する段階、及び電極層が形成された透明電極基板の全面又は電極層上にだけ部分的に第1バリアー層を形成する段階を含み、第1バリアー層を形成する段階は、還元されたグラフェンオキシド層を形成する工程で行われることを特徴とする。 In the method for forming the electrode collecting electrode protective film for a dye-sensitive solar cell of the present invention, a step of forming an electrode layer by arranging a plurality of electrodes at predetermined intervals on a transparent electrode substrate at a predetermined interval and forming an electrode layer are formed. The step of forming the first barrier layer includes the step of partially forming the first barrier layer on the entire surface of the transparent electrode substrate or only on the electrode layer, and the step of forming the first barrier layer is performed in the step of forming the reduced graphene oxide layer. It is a feature.
また、本発明の染料感応太陽電池は、上記集電極保護膜を含むことを特徴とする。 Further, the dye-sensitive solar cell of the present invention is characterized by including the above-mentioned collector electrode protective film.
本発明によると、集電極保護膜として超疎水性の還元されたグラフェンオキシドを第1バリアー層として適用することで、集電極の金属表面をヨード系電解質と水分又は空気(酸素)から保護し腐食を防止して集電効率を向上させることができる。
また、還元されたグラフェンオキシド上に高分子膜又はシリコン膜をさらにコートして二重構造の集電極保護膜を形成することにより、集電極の腐食を防止することができる。
According to the present invention, by applying superhydrophobic reduced graphene oxide as a first barrier layer as a collector electrode protective film, the metal surface of the collector electrode is protected from iodine-based electrolyte and moisture or air (oxygen) and corroded. Can be prevented and the collection efficiency can be improved.
Further, by further coating the reduced graphene oxide with a polymer film or a silicon film to form a double-structured collector electrode protective film, corrosion of the collector electrode can be prevented.
以下、本発明を一実施例に基づいてより詳細に説明する。
本発明の染料感応太陽電池用集電極保護膜は、透明電極基板上に複数の金属電極が離隔して配列された電極層、及び電極層が形成された透明電極基板の全面又は電極層上にだけ部分的に形成された第1バリアー層、を含み、第1バリアー層は還元されたグラフェンオキシド(RGO)であることを特徴とする。
本発明の好適な具現例によると、透明電極は、フッ素ドープ酸化スズ(以下、FTOと略す)、インジウムドープ酸化スズ(以下、ITOと略す)、グラフェン、シルバーナノワイヤ及び伝導性高分子からなる群から選択された一種を使うことができる。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on one example.
The electrode collecting electrode protective film for a dye-sensitive solar cell of the present invention has an electrode layer in which a plurality of metal electrodes are separated and arranged on a transparent electrode substrate, and the entire surface of the transparent electrode substrate on which the electrode layers are formed or on the electrode layer. It comprises a first barrier layer, which is only partially formed, characterized in that the first barrier layer is reduced graphene oxide (RGO).
According to a preferred embodiment of the present invention, the transparent electrode is a group consisting of fluorine-doped tin oxide (hereinafter abbreviated as FTO), indium-doped tin oxide (hereinafter abbreviated as ITO), graphene, silver nanowires and a conductive polymer. You can use the type selected from.
本発明の好適な具現例によると、金属電極は、銀(Ag)、銅(Cu)、アルミニウム(Al)、金(Au)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、鉄(Fe)、亜鉛(Zn)、チタン(Ti)、クロム(Cr)、ニッケル(Ni)及びコバルト(Co)からなる群から選択された1種以上を使うことができる。
本発明の好適な具現例によると、第1バリアー層は、電極層が形成された透明電極基板の全面又は電極層上にだけ部分的に形成される。特に、電極層上にだけ部分的にバリアー層を形成する場合、染料感応太陽電池の透明性を確保するのに有利であるとの利点がある。
本発明の好適な具現例によると、第1バリアー層は、還元されたグラフェンオキシド(Reduced graphene oxide、rGO)を使うことができる。還元されたグラフェンオキシドは、グラフェンオキシドとは異なり、伝導性を持ちながら超疎水性特性を持つ特性を有する。また、直接蒸着方式で製造されたグラフェンと類似した特性を持っていながらも大量生産が可能であるという特性がある。このような還元されたグラフェンオキシドは、グラフェンオキシドを還元させて超疎水性特性を持つ還元されたグラフェンオキシドを形成することができる。還元されたグラフェンオキシドの超疎水性特性は、集電極がヨード系電解質によって腐食されることを遮断して、電極層を保護することができる。
According to a preferred embodiment of the present invention, the metal electrodes are silver (Ag), copper (Cu), aluminum (Al), gold (Au), platinum (Pt), palladium (Pd), iron (Fe), zinc. (Zn), titanium (Ti), chromium (Cr), it can be used nickel (Ni) and cobalt (C o) 1 or more selected from the group consisting of.
According to a preferred embodiment of the present invention, the first barrier layer is formed on the entire surface of the transparent electrode substrate on which the electrode layer is formed or only partially on the electrode layer. In particular, when the barrier layer is partially formed only on the electrode layer, there is an advantage that it is advantageous to ensure the transparency of the dye-sensitive solar cell.
According to a preferred embodiment of the present invention, the first barrier layer can use reduced graphene oxide (rGO). The reduced graphene oxide, unlike graphene oxide, has the property of having superhydrophobic properties while having conductivity. In addition, it has the characteristic that it can be mass-produced while having characteristics similar to those of graphene produced by the direct vapor deposition method. Such reduced graphene oxide can reduce graphene oxide to form reduced graphene oxide having superhydrophobic properties. The superhydrophobic properties of the reduced graphene oxide can protect the electrode layer by blocking the electrode collector from being corroded by the iodine-based electrolyte.
本発明の好適な具現例によると、第1バリアー層は、厚さが0.01〜100μmであることが好ましい。第1バリアー層の厚さが0.01μmより薄いと、電解質浸透を効果的に防ぐことができないため、集電極が腐食される恐れがある。第1バリアー層の厚さが100μmより厚くなると、基板との接着力が劣り、第1バリアー層が基板から剥離し、バリア機能を果たせなくなる恐れがある。
本発明によると、第1バリアー層又は第1バリアー層が部分的に形成された透明電極基板の全面上に形成された第2バリアー層をさらに含むことが好ましい。
本発明の好適な具現例によると、第2バリアー層は、ポリビニルアルコール(PVA)又はシラン系化合物の高分子膜又はシリコン膜であることが好ましい。第2バリアー層は、第1バリアー層形成物質であるrGOのバルク(bulk)構造の間に電解質が浸透し得る可能性を無くして、集電極を腐食から保護する役目を果たす。第2バリアー層は要求条件によって省略することができる。
本発明の好適な具現例によると、第2バリアー層は、厚さが0.1〜200μmであることが好ましい。第2バリアー層の厚さが0.1μmより薄いと、バリアー機能が十分に発揮されない恐れがある。また、第2バリアー層の厚さが200μmより厚くなると、太陽電池の上下板の間隔が大きくなって性能面で不利になり最終製品の性能が劣る恐れがある。
According to a preferred embodiment of the present invention, the first barrier layer preferably has a thickness of 0.01 to 100 μm. If the thickness of the first barrier layer is less than 0.01 μm, the electrolyte permeation cannot be effectively prevented, and the collector electrode may be corroded. If the thickness of the first barrier layer is thicker than 100 μm, the adhesive force with the substrate is inferior, and the first barrier layer may be peeled off from the substrate, making it impossible to perform the barrier function.
According to the present invention, it is preferable to further include a first barrier layer or a second barrier layer formed on the entire surface of the transparent electrode substrate on which the first barrier layer is partially formed.
According to a preferred embodiment of the present invention, the second barrier layer is preferably a polymer film or a silicon film of polyvinyl alcohol (PVA) or a silane compound. The second barrier layer serves to protect the collector electrode from corrosion by eliminating the possibility of electrolyte penetration between the bulk structures of the first barrier layer forming material, rGO. The second barrier layer can be omitted depending on the requirements.
According to a preferred embodiment of the present invention, the second barrier layer preferably has a thickness of 0.1 to 200 μm. If the thickness of the second barrier layer is thinner than 0.1 μm, the barrier function may not be sufficiently exhibited. Further, if the thickness of the second barrier layer is thicker than 200 μm, the distance between the upper and lower plates of the solar cell becomes large, which is disadvantageous in terms of performance and may deteriorate the performance of the final product.
一方、本発明の染料感応太陽電池用集電極保護膜の形成方法は、透明電極基板上に所定の間隔で複数の電極を離隔して配列して電極層を形成する段階、及び電極層が形成された透明電極基板の全面又は電極層上にだけ部分的に第1バリアー層を形成する段階、を含み、第1バリアー層を形成する段階は還元されたグラフェンオキシド層を形成する工程で行われることを特徴とする。
本発明の好適な具現例によると、第1バリアー層は、スプレーコーティング、ロールコティング、スロットダイコーティング、バーコーティング、スピンコーティング、インクジェットコーティング及びディップコーティングからなる工法群の中から選択されたいずれか一つの工法によって形成できるが、これに制限されるものではない。好ましくは、スプレーコーティング工法によって第1バリアー層を形成することがよい。電極層上にだけ部分的に第1バリアー層を形成するとき、マスクシートを用いて不必要な部分には第1バリアー層が形成されないようにコートすることが好ましい。
On the other hand, in the method for forming the electrode collecting electrode protective film for a dye-sensitive solar cell of the present invention, a step of forming an electrode layer by arranging a plurality of electrodes separated from each other at predetermined intervals on a transparent electrode substrate and forming an electrode layer. The step of forming the first barrier layer includes the step of partially forming the first barrier layer on the entire surface or only on the electrode layer of the transparent electrode substrate, and the step of forming the first barrier layer is performed in the step of forming the reduced graphene oxide layer. It is characterized by that.
According to a preferred embodiment of the present invention, the first barrier layer is selected from a group of construction methods consisting of spray coating, roll coating, slot die coating, bar coating, spin coating, inkjet coating and dip coating. It can be formed by one method, but it is not limited to this. Preferably, the first barrier layer is formed by a spray coating method. When the first barrier layer is partially formed only on the electrode layer, it is preferable to use a mask sheet to coat unnecessary portions so that the first barrier layer is not formed.
本発明の好適な具現例によると、第1バリアー層を形成する段階は、還元されたグラフェンオキシド溶液をコートする工程によっても遂行できる。具体的には、還元されたグラフェンオキシド溶液を、電極層が形成された透明電極基板の全面又は電極層上にだけ部分的にコートして第1バリアー層を形成することが好ましい。
第1バリアー層を形成する段階は、グラフェンオキシド溶液をコートする工程と、これに続く、コートされたグラフェンオキシドを還元して、還元されたグラフェンオキシドを形成する工程からなる。ここで、グラフェンオキシド溶液は、グラフェン(Graphene)を用る直接合成法、機械的剥離法、化学的剥離法などによって製造することができる。好ましくは、グラフェンが多数枚積層されているグラファイト(Graphite)を酸処理などの化学的処理によって製造する化学的剥離法である。酸処理されたグラファイトは、グラフェン表面の一部が水酸基(−OH)又はヒドロキシカルボニル基(−COOH)を持つことになり、これを水又は有機溶媒に入れて分散させることで、グラフェンオキシド(Graphene oxide:GO)溶液を製造する。
グラフェンオキシド溶液は、電極層が形成された透明電極基板の全面又は電極層上にだけ部分的にコートすることが好ましい。
グラフェンオキシドを還元する工程は、4%の水素(H2)を含むアルゴン(Ar)ガスの雰囲気で200〜500℃の温度で1〜10時間反応させる。具体的には、グラフェンオキシド溶液がコートされた表面を高真空炉(High vacuum furnace)中で200〜500℃の高温で還元処理することで、還元されたグラフェンオキシドの第1バリアー層を形成することができる。還元反応の温度が200℃より低いと、ヒドロキシカルボニル基(−COOH)及び水酸基(−OH)の一部が残るため、rGOの特性である超疎水性を示さない恐れがある。還元反応の温度が500℃より高いと、太陽電池製造工程に必要な温度以上の熱を加えることになるため、太陽電池の性能が悪くなる恐れがある。
According to a preferred embodiment of the present invention, the step of forming the first barrier layer can also be carried out by a step of coating with a reduced graphene oxide solution. Specifically, it is preferable that the reduced graphene oxide solution is partially coated on the entire surface of the transparent electrode substrate on which the electrode layer is formed or only on the electrode layer to form the first barrier layer.
The step of forming the first barrier layer consists of a step of coating the graphene oxide solution and a subsequent step of reducing the coated graphene oxide to form the reduced graphene oxide. Here, the graphene oxide solution can be produced by a direct synthesis method using graphene, a mechanical stripping method, a chemical stripping method, or the like. Preferably, it is a chemical stripping method for producing graphene in which a large number of graphenes are laminated by a chemical treatment such as an acid treatment. In the acid-treated graphite, a part of the graphene surface has a hydroxyl group (-OH) or a hydroxycarbonyl group (-COOH), and by putting this in water or an organic solvent and dispersing it, graphene oxide (Graphene) is dispersed. Oxide: GO) solution is produced.
The graphene oxide solution is preferably partially coated on the entire surface of the transparent electrode substrate on which the electrode layer is formed or only on the electrode layer.
The step of reducing graphene oxide is to react in an atmosphere of argon (Ar) gas containing 4% hydrogen (H 2 ) at a temperature of 200 to 500 ° C. for 1 to 10 hours. Specifically, the surface coated with the graphene oxide solution is reduced in a high vacuum furnace at a high temperature of 200 to 500 ° C. to form a first barrier layer of the reduced graphene oxide. be able to. If the temperature of the reduction reaction is lower than 200 ° C., a part of the hydroxycarbonyl group (-COOH) and the hydroxyl group (-OH) remains, so that the superhydrophobicity characteristic of rGO may not be exhibited. If the temperature of the reduction reaction is higher than 500 ° C., heat equal to or higher than the temperature required for the solar cell manufacturing process is applied, which may deteriorate the performance of the solar cell.
本発明の好適な具現例によると、グラフェンオキシド溶液又は還元されたグラフェンオキシド溶液の固形分含有量は0.01〜50mg/mlであることが好ましい。固形分含有量が0.01mg/mlより少なければ、集電極を完全に覆いきれなくなる恐れがあり、一方、固形分含有量が50mg/mlより多ければ、溶液の分散性が悪くなることから、均一なコーティングが難しくなり、出来上がった太陽電池の性能が悪くなる恐れがある。
本発明の好適な具現例によると、第1バリアー層は、厚さが0.01〜100μmであることが好ましい。
本発明の好適な具現例によると、第1バリアー層又は第1バリアー層が部分的に形成された透明電極基板の全面上に第2バリアー層を形成する段階をさらに含むことが好ましい。
According to a preferred embodiment of the present invention, the solid content of the graphene oxide solution or the reduced graphene oxide solution is preferably 0.01 to 50 mg / ml. If the solid content is less than 0.01 mg / ml, the collector electrode may not be completely covered, while if the solid content is more than 50 mg / ml, the dispersibility of the solution deteriorates. Uniform coating becomes difficult, and the performance of the finished solar cell may deteriorate.
According to a preferred embodiment of the present invention, the first barrier layer preferably has a thickness of 0.01 to 100 μm.
According to a preferred embodiment of the present invention, it is preferable to further include a step of forming the second barrier layer on the entire surface of the transparent electrode substrate on which the first barrier layer or the first barrier layer is partially formed.
本発明の好適な具現例によると、第2バリアー層は、ポリビニルアルコール(PVA)又はシラン系化合物の高分子膜又はシリコン膜であることが好ましい。具体的には、ポリビニルアルコールの場合、水、エタノール、メタノール、アセトン、イソプロピルアルコール及びブタノールからなる群から選択された1種以上の溶媒に0.1〜10重量%のポリビニルアルコールを混合して作成したポリビニルアルコール溶液をコートして第2バリアー層を形成することができる。
本発明の好適な具現例によると、第2バリアー層は、厚さが0.1〜200μmであることが好ましい。
According to a preferred embodiment of the present invention, the second barrier layer is preferably a polymer film or a silicon film of polyvinyl alcohol (PVA) or a silane compound. Specifically, in the case of polyvinyl alcohol, it is prepared by mixing 0.1 to 10% by weight of polyvinyl alcohol with one or more solvents selected from the group consisting of water, ethanol, methanol, acetone, isopropyl alcohol and butanol. The polyvinyl alcohol solution can be coated to form a second barrier layer.
According to a preferred embodiment of the present invention, the second barrier layer preferably has a thickness of 0.1 to 200 μm.
一方、本発明は集電極保護膜を含む染料感応太陽電池を提供する。
本発明による集電極保護膜として超疎水性の還元されたグラフェンオキシドを適用することにより、集電極の金属表面をヨード系電解質と水分又は空気(酸素)から保護して腐食を防止し、集電効率を向上させることができる。また、還元されたグラフェンオキシド上に高分子膜又はシリコン膜をさらにコートして二重構造の集電極保護膜を形成することにより、集電極の腐食を防止することができる。
以下、本発明を実施例に基づいてより具体的に説明するが、本発明が次の実施例に限定されるものではない。
On the other hand, the present invention provides a dye-sensitive solar cell including a collector electrode protective film.
By applying superhydrophobic reduced graphene oxide as the electrode collector protective film according to the present invention, the metal surface of the collector electrode is protected from iodine-based electrolytes and moisture or air (oxygen) to prevent corrosion and collect electricity. Efficiency can be improved. Further, by further coating the reduced graphene oxide with a polymer film or a silicon film to form a double-structured collector electrode protective film, corrosion of the collector electrode can be prevented.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on Examples, but the present invention is not limited to the following Examples.
〔実施例1〕
染料感応太陽電池を構成する透明電極用物質であるフッ素ドープ酸化スズ(FTO)がコートされたガラス上に銀(Ag)ペーストをコートした後、500℃で30分間熱処理して銀(Ag)電極を形成した。その後、GO溶液5mg/mLをスプレーコーティング法でコートした後、コートされたGOを4%水素(H2)含有アルゴン(Ar)ガス混合物を流しながら300℃で5時間還元することにより、rGOの第1バリアー層を形成した。形成された第1バリアー層の厚さは0.5μmであった。ついで、第1バリアー層上にPVAの5重量%をエタノールに溶解した溶液をスプレー法でコートして第2バリアー層を形成した。この際、第2バリアー層の厚さは10μmであった。
図1は本発明の実施例1による集電極保護膜の形成方法を示した工程図であり、図2は本発明の実施例1による集電極保護膜の断面図である。図1及び2に示したとおり、FTOがコートされたガラス上にAg電極が離隔して配列されるように電極層を形成した。Ag電極を含むガラス基板上に、さらにGOを1次コートした後、これを還元することで、rGOがコートされた第1バリアー層を形成し、その後、その上にPVAを2次コートして第2バリアー層を形成して集電極保護膜とした。
[Example 1]
A silver (Ag) paste is coated on glass coated with fluorine-doped tin oxide (FTO), which is a substance for transparent electrodes constituting a dye-sensitive solar cell, and then heat-treated at 500 ° C. for 30 minutes to produce a silver (Ag) electrode. Was formed. Then, 5 mg / mL of the GO solution was coated by a spray coating method, and then the coated GO was reduced at 300 ° C. for 5 hours while flowing an argon (Ar) gas mixture containing 4% hydrogen (H 2) to obtain rGO. A first barrier layer was formed. The thickness of the formed first barrier layer was 0.5 μm. Then, a solution prepared by dissolving 5% by weight of PVA in ethanol was coated on the first barrier layer by a spray method to form a second barrier layer. At this time, the thickness of the second barrier layer was 10 μm.
FIG. 1 is a process diagram showing a method for forming a collector electrode protective film according to Example 1 of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view of the collector electrode protective film according to Example 1 of the present invention. As shown in FIGS. 1 and 2, an electrode layer was formed so that Ag electrodes were separated and arranged on the glass coated with FTO. A first barrier layer coated with rGO is formed by first coating GO on a glass substrate containing an Ag electrode and then reducing this, and then PVA is secondarily coated on the first barrier layer coated with rGO. A second barrier layer was formed to form a collecting electrode protective film.
〔実施例2〕
染料感応太陽電池を構成する透明電極用物質であるFTOがコートされたガラス上にAgペーストをコートした後、500℃で30分間熱処理してAg電極を形成した。Ag電極のみをコートすることができるようにマスクシートを付着した後、マスクシート上からGO溶液5mg/mLをスプレーコーティング法でコートした。マスクシートを外し、部分的にコートされたGOを水素(H2)含有アルゴン(Ar)ガス混合物を流しながら300℃で5時間還元させることにより、Ag電極上にだけrGOがコートされた形態の第1バリアー層を形成した。形成された第1バリアー層の厚さは0.5μmであった。その後、第1バリアー層とFTO層の全面上にPVAの5重量%をエタノールに溶解した溶液をスプレー法でコートして第2バリアー層を形成した。この際、第2バリアー層の厚さは10μmであった。
図3は本発明の実施例2による集電極保護膜の形成方法を示した工程図であり、図4は本発明の実施例2による集電極保護膜の断面図である。図3及び4に示したとおり、FTOがコートされたガラス上にAg電極が離隔して配列されるように電極層を形成した。マスクシートを活用して電極層上にだけGOを部分的に1次コートした後、これを還元することで、rGOがコートされた第1バリアー層を形成し、その上にPVAで2次コーティングして第2バリアー層を形成して集電極保護膜とした。
[Example 2]
An Ag paste was coated on glass coated with FTO, which is a substance for a transparent electrode constituting a dye-sensitive solar cell, and then heat-treated at 500 ° C. for 30 minutes to form an Ag electrode. After attaching the mask sheet so that only the Ag electrode could be coated, 5 mg / mL of the GO solution was coated on the mask sheet by the spray coating method. By removing the mask sheet and reducing the partially coated GO at 300 ° C. for 5 hours while flowing a hydrogen (H 2 ) -containing argon (Ar) gas mixture, rGO was coated only on the Ag electrode. A first barrier layer was formed. The thickness of the formed first barrier layer was 0.5 μm. Then, a solution prepared by dissolving 5% by weight of PVA in ethanol was coated on the entire surface of the first barrier layer and the FTO layer by a spray method to form a second barrier layer. At this time, the thickness of the second barrier layer was 10 μm.
FIG. 3 is a process diagram showing a method for forming the collector electrode protective film according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a cross-sectional view of the collector electrode protective film according to the second embodiment of the present invention. As shown in FIGS. 3 and 4, the electrode layer was formed so that the Ag electrodes were separated and arranged on the glass coated with FTO. A mask sheet is used to partially primary coat GO only on the electrode layer, and then this is reduced to form a first barrier layer coated with rGO, which is then secondarily coated with PVA. Then, a second barrier layer was formed to form a collecting electrode protective film.
〔実施例3〕
染料感応太陽電池を構成する透明電極用物質であるFTOがコートされたガラス上にAgペーストをコートした後、500℃で30分間熱処理してAg電極を形成した。その後、5mg/mLのrGO溶液をスプレーコーティング法でコートした後、300℃で1時間乾燥して第1バリアー層を形成した。形成された第1バリアー層の厚さは0.5μmであった。その後、第1バリアー層上にPVA5重量%をエタノールに溶解した溶液をスプレー法でコートして第2バリアー層を形成した。この際、第2バリアー層の厚さは20μmであった。
図5は本発明の実施例3による集電極保護膜の形成方法を示した工程図であり、図6は本発明のこのような実施例3による集電極保護膜の断面図である。図5及び6に示したとおり、FTOがコートされたガラス上にAg電極が離隔して配列されるように電極層を形成した。さらにrGOを1次コートして第1バリアー層を形成し、その上にPVAで2次コーティングして第2バリアー層を形成して集電極保護膜とした。
[Example 3]
An Ag paste was coated on glass coated with FTO, which is a substance for a transparent electrode constituting a dye-sensitive solar cell, and then heat-treated at 500 ° C. for 30 minutes to form an Ag electrode. Then, a 5 mg / mL rGO solution was coated by a spray coating method and then dried at 300 ° C. for 1 hour to form a first barrier layer. The thickness of the formed first barrier layer was 0.5 μm. Then, a solution prepared by dissolving 5% by weight of PVA in ethanol was coated on the first barrier layer by a spray method to form a second barrier layer. At this time, the thickness of the second barrier layer was 20 μm.
FIG. 5 is a process diagram showing a method for forming the collector electrode protective film according to the third embodiment of the present invention, and FIG. 6 is a cross-sectional view of the collector electrode protective film according to the third embodiment of the present invention. As shown in FIGS. 5 and 6, the electrode layer was formed so that the Ag electrodes were separated and arranged on the glass coated with FTO. Further, rGO was primarily coated to form a first barrier layer, which was then secondarily coated with PVA to form a second barrier layer to form a collecting electrode protective film.
〔実施例4〕
GOを5mg/mLの水に分散させた後、ヒドラジンハイドレート(hydrazine hydrate)1mlを添加し、80℃の条件で3時間反応させた。その後、溶媒を除去し、エタノールで洗浄し、15時間乾燥してrGOを得た。得られたrGOはDMF溶媒で分散させた。この際、溶液の溶解度を向上させるために、アンモニア水5mLを添加し、2時間反応させた後、アンモニア水を除去した。その後、製造されたrGO5mg/mLを染料感応太陽電池を構成する透明電極用物質であるFTOがコートされたガラス上に直接コートして第1バリアー層を形成した。形成された第1バリアー層の厚さは0.5μmであった。その後、第1バリアー層上にPVAの5重量%をエタノールに溶解した溶液をスプレー法でコートして第2バリアー層を形成した。この際、第2バリアー層の厚さは20μmであった。
[Example 4]
After dispersing GO in 5 mg / mL water, 1 ml of hydrazine hydrate was added, and the mixture was reacted at 80 ° C. for 3 hours. Then, the solvent was removed, washed with ethanol, and dried for 15 hours to obtain rGO. The obtained rGO was dispersed in a DMF solvent. At this time, in order to improve the solubility of the solution, 5 mL of aqueous ammonia was added, reacted for 2 hours, and then the aqueous ammonia was removed. Then, the produced rGO 5 mg / mL was directly coated on the glass coated with FTO, which is a substance for a transparent electrode constituting a dye-sensitive solar cell, to form a first barrier layer. The thickness of the formed first barrier layer was 0.5 μm. Then, a solution prepared by dissolving 5% by weight of PVA in ethanol was coated on the first barrier layer by a spray method to form a second barrier layer. At this time, the thickness of the second barrier layer was 20 μm.
〔比較例1〕
染料感応太陽電池を構成する透明電極用物質であるFTOがコートされたガラス上にAgペーストをコートした後、500℃で30分間熱処理してAg電極を形成した。その後、GO溶液5mg/mLをスプレーコーティング法でコートした後、300℃で1時間乾燥して第1バリアー層を形成した。形成された第1バリアー層の厚さは0.5μmであった。その後、第1バリアー層上にPVAを5重量%エタノールに溶解した溶液をスプレー法でコートして第2バリアー層を形成した。この際、第2バリアー層の厚さは20μmであった。
図7は本発明の比較例1による集電極保護膜の形成方法を示した工程図であり、図8は本発明の比較例1による集電極保護膜の断面図である。図7及び8に示したとおり、FTOがコートされたガラス上にAg電極が離隔して配列されるように電極層を形成した。さらにGOを1次コーティングして第1バリアー層を形成し、その上にPVAで2次コーティングして第2バリアー層を形成した集電極保護膜とした。
[Comparative Example 1]
An Ag paste was coated on glass coated with FTO, which is a substance for a transparent electrode constituting a dye-sensitive solar cell, and then heat-treated at 500 ° C. for 30 minutes to form an Ag electrode. Then, 5 mg / mL of GO solution was coated by a spray coating method, and then dried at 300 ° C. for 1 hour to form a first barrier layer. The thickness of the formed first barrier layer was 0.5 μm. Then, a solution of PVA dissolved in 5% by weight ethanol was coated on the first barrier layer by a spray method to form a second barrier layer. At this time, the thickness of the second barrier layer was 20 μm.
FIG. 7 is a process diagram showing a method for forming the collector electrode protective film according to Comparative Example 1 of the present invention, and FIG. 8 is a cross-sectional view of the collector electrode protective film according to Comparative Example 1 of the present invention. As shown in FIGS. 7 and 8, the electrode layer was formed so that the Ag electrodes were separated and arranged on the glass coated with FTO. Further, GO was primarily coated to form a first barrier layer, which was then secondarily coated with PVA to form a second barrier layer to form a collector electrode protective film.
〔比較例2〕
染料感応太陽電池を構成する透明電極用物質であるFTOがコートされたガラス上に銀(Ag)ペーストをコートした後、500℃で30分間熱処理して銀(Ag)電極を形成した。その後、エポキシ系UV硬化剤をスクリーン印刷法でコートした後、80℃で30分間乾燥し、紫外線の照射で硬化させてバリアー層を形成した。形成されたバリアー層の厚さは30μmであった。
[Comparative Example 2]
A silver (Ag) paste was coated on glass coated with FTO, which is a substance for a transparent electrode constituting a dye-sensitive solar cell, and then heat-treated at 500 ° C. for 30 minutes to form a silver (Ag) electrode. Then, an epoxy-based UV curing agent was coated by a screen printing method, dried at 80 ° C. for 30 minutes, and cured by irradiation with ultraviolet rays to form a barrier layer. The thickness of the formed barrier layer was 30 μm.
〔実験例1〕
実施例1及び比較例1で製造した集電極保護膜の第1バリアー層のコーティング物質を確認するために、X線光電子分光(XPS)測定を実施し、その結果を図9から図11に示した。
図9は本発明の実施例1及び比較例1によるrGO及びGOのXPS測定結果を示すチャートである。また、図10は本発明の実施例1によるrGOのXPS測定結果を示すチャート、図11は本発明の比較例1によるGOのXPS測定結果を示すチャートである。
図9、図10、及び図11のチャートに示したとおり、実施例1及び比較例1において、第1バリアー層であるGO及びrGOのコーティング層がそれぞれ確実に形成されたことをXPS測定のC−O、C=O等のピークから確認することができた。
[Experimental Example 1]
In order to confirm the coating substance of the first barrier layer of the collector electrode protective film produced in Example 1 and Comparative Example 1, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) measurement was carried out, and the results are shown in FIGS. 9 to 11. It was.
FIG. 9 is a chart showing XPS measurement results of rGO and GO according to Example 1 and Comparative Example 1 of the present invention. Further, FIG. 10 is a chart showing the XPS measurement result of rGO according to Example 1 of the present invention, and FIG. 11 is a chart showing the XPS measurement result of GO according to Comparative Example 1 of the present invention.
As shown in the charts of FIGS. 9, 10 and 11, in Example 1 and Comparative Example 1, the C of XPS measurement showed that the coating layers of GO and rGO, which are the first barrier layers, were surely formed, respectively. It could be confirmed from the peaks such as −O and C = O.
図12は本発明の実施例1による集電極保護膜の走査型電子顕微鏡(SEM)写真である。図12(a)、(b)に示したとおり、銀(Ag)電極上にGO膜が確実に形成されたことが観察され、その厚さが0.5μmであることを確認した。
図13は本発明の実施例1による集電極保護膜から製造された染料感応太陽電池を示す写真である。図13の(a)はシルバー集電極上にGOが形成された表面の画像、(b)は裏面の画像で、シルバー集電極の色相変化がないことから、GOが形成されたときにシルバー集電極の損傷がないことを確認した。
FIG. 12 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of the electrode collecting electrode protective film according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIGS. 12 (a) and 12 (b), it was observed that the GO film was surely formed on the silver (Ag) electrode, and it was confirmed that the thickness was 0.5 μm.
FIG. 13 is a photograph showing a dye-sensitive solar cell manufactured from the electrode collecting electrode protective film according to the first embodiment of the present invention. FIG. 13A is an image of the front surface in which the GO is formed on the silver collector electrode, and FIG. 13B is an image of the back surface. Since there is no change in the hue of the silver collector electrode, the silver collector is formed when the GO is formed. It was confirmed that the electrodes were not damaged.
〔実験例2〕
実施例1及び比較例1、2で製造された集電極保護膜から製造された染料感応太陽電池をヨード系電解質にそれぞれの所定時間含浸した後、染料感応太陽電池の表面を肉眼で確認し、その結果は図14、図15、及び図16に示した。
図14は本発明の実施例1による集電極保護膜から製造された染料感応太陽電池の腐食性評価結果を示す写真であり、図14の(a)は電解質含浸前、(b)は500時間電解質含浸後の染料感応太陽電池を示す写真である。図14の(b)の500時間が経た後、集電極保護膜が形成された部分(白色部)を確認したが、(a)と比較して白色部がそのまま安定した状態で維持されることから腐食跡がないことを確認した。
[Experimental Example 2]
After impregnating the iodine-based electrolyte with the dye-sensitive solar cells produced from the electrode collecting electrode protective films produced in Examples 1 and Comparative Examples 1 and 2 for each predetermined time, the surface of the dye-sensitive solar cells was visually confirmed. The results are shown in FIGS. 14, 15, and 16.
FIG. 14 is a photograph showing the corrosiveness evaluation result of the dye-sensitive solar cell produced from the electrode collecting electrode protective film according to Example 1 of the present invention. FIG. 14 (a) is before electrolyte impregnation, and FIG. 14 (b) is 500 hours. It is a photograph which shows the dye-sensitive solar cell after impregnating with an electrolyte. After 500 hours in (b) of FIG. 14, a portion (white portion) on which the collector electrode protective film was formed was confirmed, but the white portion was maintained in a stable state as compared with (a). It was confirmed that there were no traces of corrosion.
図15は本発明の比較例1による集電極保護膜から製造された染料感応太陽電池の腐食性評価結果を示す写真であり、図15の(a)は電解質含浸前、(b)は150時間電解質に含浸後の染料感応太陽電池を示す写真である。図15の(b)は電解質含浸後、150時間ぶりに集電極保護膜が形成された部分(白色部)が(a)に比べて腐食されたことを確認した。
図16は本発明の比較例2による集電極保護膜から製造された染料感応太陽電池の腐食性評価結果を示す写真であり、(a)は電解質含浸前、Ag集電バリアー層が形成された様子を示し、(b)は電解質含浸後、24時間でバリアー層に電解質が侵透し、集電極が腐食されて電極が切れた様子を示した。
FIG. 15 is a photograph showing the corrosiveness evaluation result of the dye-sensitive solar cell produced from the electrode collecting electrode protective film according to Comparative Example 1 of the present invention. FIG. 15 (a) is before electrolyte impregnation, and FIG. 15 (b) is 150 hours. It is a photograph which shows the dye-sensitive solar cell after impregnating with an electrolyte. In FIG. 15 (b), it was confirmed that the portion (white portion) on which the collector electrode protective film was formed was corroded as compared with (a) for the first time in 150 hours after impregnation with the electrolyte.
FIG. 16 is a photograph showing the corrosiveness evaluation result of the dye-sensitive solar cell produced from the electrode collector protective film according to Comparative Example 2 of the present invention, and FIG. 16A shows an Ag current collector barrier layer formed before the electrolyte impregnation. The state was shown in (b), in which the electrolyte permeated the barrier layer 24 hours after the impregnation of the electrolyte, the collector electrode was corroded, and the electrode was cut.
以上のことから、本発明による集電極保護膜として超疎水性を有する還元されたグラフェンオキシドを適用することにより、集電極の金属表面をヨード系電解質と水分又は空気(酸素)から保護して腐食を防止し、集電効率を向上させることができることを確認した。 From the above, by applying reduced graphene oxide having superhydrophobicity as the electrode collector protective film according to the present invention, the metal surface of the collector electrode is protected from iodine-based electrolyte and moisture or air (oxygen) and corroded. It was confirmed that this can be prevented and the collection efficiency can be improved.
FTO: フッ素ドープ酸化スズ(Fluorine−doped tin oxide)
Glass: ガラス
GO: グラフェンオキシド(graphene oxide)
ITO: インジウムドープ酸化スズ(Indium−doped tin oxide)
PVA: ポリビニルアルコール(polyvinyl alcohol)
rGO: 還元されたグラフェンオキシド(Reduced graphene oxide)
SEM: 走査型電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope)
XPS: X線光電子分光(X−ray Photoelectron Spectroscopy)
FTO: Fluorine-topped tin oxide
Glass: Glass GO: Graphene oxide
ITO: Indium-doped tin oxide
PVA: Polyvinyl alcohol
rGO: Reduced graphene oxide
SEM: Scanning Electron Microscope
XPS: X-ray Photoelectron Spectroscopy
Claims (7)
前記電極層が形成された前記透明電極基板の全面又は前記電極層上にだけ部分的に第1バリアー層を形成する段階、を含み、
前記第1バリアー層を形成する段階は、グラフェンオキシド溶液をコートする工程、及び前記コートされたグラフェンオキシドを還元させ、還元されたグラフェンオキシドを形成する工程で行われ、
前記コートされたグラフェンオキシドを還元させる工程は、200〜500℃の温度で1〜10時間行われることを特徴とする染料感応太陽電池用集電極保護膜の形成方法。 Step to form an electrode layer and arranged at a distance a plurality of electrodes at predetermined intervals on the transparent electrode substrate, and only partly on the entire surface or the electrode layer of the said transparent electrode substrate with an electrode layer is formed Including the stage of forming the first barrier layer,
The step of forming the first barrier layer is carried out in a step of coating the graphene oxide solution and a step of reducing the coated graphene oxide to form the reduced graphene oxide.
A method for forming a dye-sensitive solar cell collector electrode protective film, wherein the step of reducing the coated graphene oxide is carried out at a temperature of 200 to 500 ° C. for 1 to 10 hours.
前記電極層が形成された前記透明電極基板の全面又は前記電極層上にだけ部分的に第1バリアー層を形成する段階、を含み、
前記第1バリアー層を形成する段階は、還元されたグラフェンオキシド溶液をコートした後乾燥する工程で行われることを特徴とする染料感応太陽電池用集電極保護膜の形成方法。 Step to form an electrode layer and arranged at a distance a plurality of electrodes at predetermined intervals on the transparent electrode substrate, and only partly on the entire surface or the electrode layer of the said transparent electrode substrate with an electrode layer is formed Including the stage of forming the first barrier layer,
A method for forming a dye-sensitive solar cell collector electrode protective film, wherein the step of forming the first barrier layer is performed in a step of coating a reduced graphene oxide solution and then drying.
The method for forming a dye-sensitive solar cell collector electrode protective film according to claim 5 , wherein the second barrier layer has a thickness of 0.1 to 200 μm.
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